WO2018028946A1 - Isolatoranordnung für eine hoch- oder mittelspannungsschaltanlage - Google Patents

Isolatoranordnung für eine hoch- oder mittelspannungsschaltanlage Download PDF

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WO2018028946A1
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insulator arrangement
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insulator
ring structure
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PCT/EP2017/068073
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Steffen Lang
Werner Hartmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a ceramic insulator according to the preamble of patent claim 1.
  • the insulating ability of solids such as alumina ceramics to withstand high stress is generally very high, but has its limits in the finite dielectric strength of solids. This also applies to high-voltage insulators, reindeer particular ceramic insulators for Central and Hochhardsvakuumschaltröh-.
  • Reason is the discharge structure within Isolato ⁇ reindeer, which is influenced by the defect density in the field direction. In this case, the dielectric strength, the breakdown of the solid state in the solid does not directly with the Iso ⁇ latorilia, but it is proportional to the root of the insulator length.
  • the composite of a plurality of such shorter insulators has a higher withstand voltage than an equal-length, one-piece insulator according to the above-described law of internal withstand voltage.
  • this soldering process is very costly, since a high technical complexity is required to produce the corresponding vacuum tightness for the connection.
  • the object of the invention is to provide a technically cost-effective to manufacture ceramic insulator for a high or medium voltage switchgear.
  • the solution of the problem consists in an insulator assembly for a vacuum tube of a high or medium voltage switchgear with the features of claim 1 and in a Vaku ⁇ umrschreibe for a high or medium voltage switchgear with the features of claim 11.
  • the insulator arrangement according to the invention has at least one axially symmetrical insulating structural element, the invention being characterized in that the structural element has a conductive ring structure (8) arranged on its inner surface (6) and a conductive ring arranged on its outer surface Ring structure (14), which are isolated from each other by the insulating structural element.
  • the described ring structures form in the region of the structural element and also in the region of the entire
  • equipotential surfaces are understood as meaning conductive layers on or between the structural elements, which have a higher electrical conductivity than the ceramic material of the structural elements and which are arranged perpendicular to the axis of symmetry and which define equipotential surfaces for axial electric fields.
  • the insulator assembly is electrically divided into short axial pieces, which increases the dielectric strength of the sub-section as well as the entire insulator.
  • a further outer ring structure is attached to an outer side of the structural element, with the ring structure in the interior of the structural element with respect to a solder on the L Lucassach ⁇ se of the structural element has an overlap.
  • the equipotential surfaces thus formed are not formed by conductive layers between successive structural elements but as a region of greatly reduced axial electric field strength inside the insulator, the field strength reduction in the axial direction being due to the shielding effect of the conductive and internally applied conductive elements Coating is mediated.
  • the annular combustion structure with respect to the inside and outside substantially at the same height being ⁇ introduced to the axis of the structural element is, in that at least one solder precipitated on the longitudinal ⁇ axis of the structural element passing through both ring structures.
  • the two ring structures are capacitively coupled to one another, so that a region with a low axial field strength results radially in the structural element. It may be appropriate to expand and better geometric design of the
  • At least two structural elements are provided which are joined together along their end faces, wherein each of the at least two structural elements has at least one ring structure.
  • Two ring structures have the advantage that reason ⁇ additionally the height of the insulator assembly grows and thus to a large extent also a higher electrical skills- is strength achieved when each of these structural elements comprising a further ring structure, thus a further increase in the breakdown field strength for the entire
  • the structural element (4, 4 ⁇ ) has an axial extent, which is between 10 mm and 200 mm, preferably between 20 mm and 80 mm, be ⁇ particularly preferably between 20 mm and 40 mm.
  • Structural elements are technically herzustel ⁇ len with a relatively reasonable cost, and further a high dielectric strength is realized, in particular by applying the ring structures described.
  • the spacing of the annular combustion structures, both the outer and the inner ring structure in an axial direction between 5 mm and 40 mm.
  • the effect of the equipotential surfaces is optimized in this distance range, so that there is a technically good relationship between insulation and charge removal.
  • the ring structure itself can be configured in various forms.
  • the ring structure consists of a metallic structure or of a conductive self-supporting structure, in particular in the form of a ring or in the form of a band or in the form of a film, which is applied to the corresponding surface of the structural element.
  • it may be expedient to apply the ring structure in the form of a coating in which case all common coating methods are expedient.
  • the so-called plasma chemical vapor deposition, PCVD or CVD but also the sputtering, vapor deposition or spraying and the doctoring and baking in the form of screen printing can be useful here.
  • the guide can adjust the surface resistance or resistance to the ring structure particularly well.
  • Another aspect of the invention is a vacuum interrupter for high and medium voltage applications which includes an isolator assembly according to claims 1-7.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a vacuum interrupter with an insulator arrangement, wherein the left-hand part of the vacuum interrupter represents the state of the art.
  • FIG. 2 shows a three-dimensional representation of a structural element, each having a ring structure inside and outside,
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the structural member of Figure 2, also cross-sectional view of the Strukturele ⁇ mentes of Figure 2 with a staggered arrangement of the ring structures,
  • FIG. 6 shows a structural element with ring structures and a
  • Figure 7 shows a structural element analogous to the representation in Figure 2 in cross-sectional view with shielding plates in the inner region
  • Figure 8 shows a cross section through an insulator assembly with two joined structural elements
  • Figure 9 is a graphical representation of the relationship of
  • Breakdown field strength and the height or thickness of the insulator material of the structural element are Breakdown field strength and the height or thickness of the insulator material of the structural element.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a typical vacuum interrupter 3 is shown, the figure 1 viewed from left to right on the left side of the prior
  • the vacuum interrupter 3 comprises an insulating space 25 in which two switching contacts 26 are arranged along a longitudinal axis 20 through the substantially rotationally symmetrical vacuum interrupter 3. At least one of the switching contacts 26 is with respect to the axis 20th
  • This isolator assembly 2 is in particular in the art from the compound of a plurality of structural elements 4, which are joined to each other end face, wherein a corresponding place vacuum tightness ensuring end joining ⁇ process application.
  • the vacuum interrupter described here differs from the prior art in that ring structures 8 and 16, which are arranged in the inner region, are provided on the structural elements 4. Furthermore, it is expedient likewise in the outer region of the structural element 4 to have ring structures 16. bring to.
  • the ring structures 8 and 16 are arranged such that they are located at the same height both inside and outside along the axis 20, essentially with respect to a longitudinal axis 20, so that at least a partial overlap exists.
  • shielding plates 24 can be arranged on the structural elements 4 or on the insulator arrangement 2, which prevents a flashover between the contact 26 and the relatively conductive surfaces in the region of the ring structure 8.
  • both the ring structures 8 and / or 16 and the connection regions 27, which are usually equipped as conductive Lotstellen serve as the equipotential surfaces already described, which acts as a zone greatly reduced field strength in the axial direction and thus a breakdown of the Isolator 2 prevents.
  • the introduction of the ring structure increases the internal dielectric strength of a hollow cylindrical high-voltage insulator.
  • a part of the ultra-high-vacuum-tight envelope of the vacuum interrupter is simultaneously increased by the fact that along the inner (vacuum-side) and outer
  • Ceramic surfaces at shorter intervals conductive structures so the ring structures described here 8, 16 are applied to the ceramic of the structural element.
  • These ring ⁇ structures 8, 16 have preferably a metallic or Annae ⁇ hernd metallic conductivity at least three toe ⁇ nerpotenzen is higher than the conductivity of the adjacent surface 10 of the structural element 4.
  • the ceramic is electrically relieved in the interior of short axial portions of high axial field strengths and thus divided in the axial direction.
  • the dielectric Festig ⁇ ness is not only along a section between two Equipotential surfaces but also greatly increased along the entire structural element 4.
  • the starting point is essentially ceramic structural elements 4, which are preferably in the form of a hollow-cylindrical insulator structure, however an embodiment of the structural element 4 is provided by insulators based on polymers or composite materials, eg glass-reinforced or filled with quartz or other ceramic powders Epoxy resin also appropriate. Also deviating from the symmetrical circular cross sections such as ellipses or polygons are possible ⁇ Liche solutions.
  • One advantageous effect of the invention is, inter alia, that the subdivision of a conventionally long ceramic structural element 4 by the application of conductive equipotential surfaces 9 in the form of the described ring structures 8, 16 in the inner and preferably outer region of the structural element 4 either already during manufacture on the ceramic body to integrate or subsequently on this
  • a single structural element having a predetermined height has a higher electrical strength than the same structural element without the conductive ring structures 8, 16 described by this measure.
  • Isolatoranordung possibly depending on the required insulation, significantly reduced because fewer separation points or connections 27 are required. It can be enough, depending on the requirement, instead of three structural elements to one
  • Assemble insulator assembly 2 only two structural elements apply. This establishes a connection 27. saves a particularly high proportion of the total cost in the production of the insulator assembly 2. In addition, thus a source of error in a possible leakage of the vacuum interrupter 3 is eliminated.
  • the ring structure which acts in an area in the interior of the ceramic is equivalent to an equipotential surface 9, is thus not as physically be introduced layer as Example ⁇ , the compound 27 is configured, but as functionally equivalent but much more easily applied Zone With a significantly increased electrical conductivity with respect to the adjacent surface 10 of the structural element 4. It can be formed along a structural element in the axial direction (along the longitudinal axis) a plurality of areas with the ring structures, so as to further shorten the burdened with high electrical field strengths Isolatorteilinn without the electric strength at the Oberflä ⁇ surface of the insulator body in an axial direction to impair ⁇ gen.
  • Metal oxides or mixtures are, inter alia, those which are also used for the metallization of ceramics e.g. be used according to the so-called Mo / MnO method, or which are used for the reactive solder joint of metallic and ceramic components.
  • interrupted ring structures both ring structures 16 and ring structures 8, which have, for example, interrupted ribbons, staggered bands or rings or points which are adjacent but not touching.
  • layers which can be configured by sputtering, vapor deposition, spraying or CVD or PCVD method as metallic metal oxide layers or as metal borides, carbides or metal nitrides.
  • organically bound, conductive lacquers which are freed from the organic phase by thermal treatment.
  • graphitic or graphite-containing layers for example by the Aquadag method are suitable to represent the corresponding ring structures. This also applies to graphite structures generated by entspre ⁇ sponding abrasion of a carbon source / graphite source who ⁇ .
  • the method described is an example of possible representations of the described ring structures 8 and 16.
  • Insulator assembly 2 are provided with the so-called shield systems or shield plates 24, as shown for example in Figure 7 but also in the figure 1. This results in an additional function, which can, for example, since there are ⁇ rin that these shielding plates 27 is a shielding of the ceramic surface prior to vapor deposition of metal vapor generated from the switching arc.
  • the ring structures 8, 16 need not necessarily be configured by ⁇ continuous, ie be carried out continuously, but can also be as flat structures structures consisting of ras terförmig applied closely adjacent conductive structural, for example dots or dashes are executed. Such layers are particularly advantageous to produce by screen printing methods such as doctoring.
  • FIG. 2 shows a three-dimensional representation of a structural given turiatas 4, which is substantially rotationssymmet ⁇ driven, in this case shown in cylinder form and the ring structure has an inner surface 6 8 ⁇ which is shown in phantom in Figure 2 and at one ner outer side, an outer ring structure 16 is arranged.
  • FIG. 3 which shows a cross-sectional view of FIG. 2, the ring structures 16 and 8 extend at the same height with respect to an axial extent of the structural element 4. That means a solder 18, which is precipitated on the axis 20, passes through both the inner ring ⁇ structure 8 and the outer ring structure 16 and this ⁇ at least in a coverage area.
  • a structural element 4 comprising an analog embodiment, to the structural element 4 in figure 3, but the too ⁇ additional surface coating has on its outer surface 22, which is preferably a sheet resistance of typically 100 megohms per square having what a bad conductor or, in other words, does not represent an insulator.
  • this surface 22 acts on this surface 22 both an ohmic and non-linear current voltage characteristic. This is used for electric field control on the surface and to reduce the charging of the surface with electric charges.
  • the high surface resistivity conductive coating between 10 8 ohms and 10 12 ohms may also be deposited on the inside or both sides of the ceramic.
  • the resistance layer can be located below the ring Structures 8, 16 may be applied as in another embodiment, the cover over the ring structures 8, 16 extend.
  • insulator assemblies 2 are shown, which consist of only one structural element 4.
  • these insulator arrangements 2 are designed here only in the middle region with ring structures 8, 16 in this exemplary embodiment.
  • the ring structures 8, 16 have a typical distance in the axial direction, which is between 10mm and 40mm.
  • a typical structural element 4, as shown in Figu ⁇ ren 2-7, 8 and 16 can thus have a plurality of ring structures on the inside and the outside, which lead to the above described advantageous, inner electrical effects.
  • FIG. 8 shows an insulator arrangement 2 which is composed of two structural elements 4.
  • the structural ⁇ turemia 4 in Figure 8 are joined by the connecting end face 27th
  • the connection 27 likewise consists of a metallically conductive layer and likewise represents an equipotential surface 9.
  • Equipotential surfaces 9 are shown in the conventional construction of vacuum interrupters 3 and insulator arrangements 2 for vacuum interrupters by the solder joints. Due to the additional ring structures 8 and 16 described here, on the one hand a shortening of the distances of
  • Equipotential surfaces 9 causes so that, for example, at a distance of 5 units of length between the ring structures, the dielectric strength of 60 kV can be achieved.
  • a virtual equipotential surface 9 ⁇ is introduced, which causes a virtual Verür ⁇ tion of the ceramic without soldering.
  • 2x5 units of length along the same structural element while a dielectric strength of 120 kV can be achieved already with a forth ⁇ grommliches structural element according to the prior art for the same example would yield only 90 kV electric strength. This causes the entire length of the
  • Insulator assembly 2 can be significantly reduced, which on the one hand represents a significant reduction of the manufacturing process cost, which in turn is reflected in a significant cost reduction with less space of the vacuum interrupter 3.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Isolatoranordnung (2) für eine Hochoder Mittelspannungsschaltanlage mit mindestens einem achsensymmetrischen isolierenden Strukturelement (4). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Strukturelement (4) eine, an seiner inneren Oberfläche (6) angeordnete leitfähige Ringstruktur (8) und eine an seiner äußeren Oberfläche angeordnete leitfähige Ringstruktur (16) aufweist, die voneinander durch das isolierende Strukturelement isoliert sind.

Description

Beschreibung
ISOLATORANORDNUNG FÜR EINE HOCH- ODER MITTELSPANNUNGSSCHALTANLAGE Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Isolierfähigkeit von Festkörpern, wie beispielsweise Alu- miniumoxidkeramik gegenüber Beanspruchungen mit Hochspannung ist im Allgemeinen sehr hoch, sie findet jedoch ihre Grenzen in der endlichen Durchschlagfestigkeit von Festkörpern. Dies gilt auch für Hochspannungsisolatoren, insbesondere keramische Isolatoren für Mittel- und Hochspannungsvakuumschaltröh- ren. Ursache ist der Entladungsaufbau innerhalb von Isolato¬ ren, der durch die Defektdichte in Feldrichtung mitbestimmt wird. Dabei skaliert die dielektrische Festigkeit, die Durch- bruchfeidstärke im Festkörper nicht direkt mit der Iso¬ latorlänge, sondern sie ist proportional zu der Wurzel der Isolatorlänge. Dies hat zur Folge, dass es insbesondere für hohe Spannungen über etwa 100 kV zunehmend schwieriger wird, die notwendige Spannungsfestigkeit von beispielsweise Vakuum¬ schaltröhren für den Hochspannungsbereich, also in einem Bereich von mehr als 72 kV zu bewerkstelligen. Bisher wurde dieses Problem insbesondere bei Vakuumschaltröhren der Ener- gieübertragungs- und Verteilertechnik dadurch gelöst, dass an Stelle eines einzelnen zylindrischen Isolatorbauteils mit ei¬ ner größeren Länge mehrere kürzere Bauteile verwendet werden, die durch eine geeignete, vakuumdichte und mechanisch stabile Verbindungstechnik, wie z.B. durch ein Hartlot, in axialer
Richtung miteinander verbunden werden. Der Verbund von mehreren solchen kürzeren Isolatoren hat gemäß der oben beschriebenen Gesetzmäßigkeit der internen Spannungsfestigkeit eine höhere Spannungsfestigkeit als ein gleichlanger, einstückiger Isolator. Insgesamt ist dieses Lotverfahren jedoch sehr kostenintensiv, da ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist, die entsprechende Vakuumdichtigkeit für die Verbindung zu erzeugen. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen technisch kostengünstig herzustellenden keramischen Isolator für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Isolatoranordnung für eine Vakuumröhre einer Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einer Vaku¬ umröhre für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Die erfindungsgemäße Isolatoranordnung gemäß Patentanspruch 1, weist mindestens ein achsensymmetrisches isolierendes Strukturelement auf, wobei sich die Erfindung dadurch aus- zeichnet, dass das Strukturelement eine, an seiner inneren Oberfläche (6) angeordnete leitfähige Ringstruktur (8) und eine an seiner äußeren Oberfläche angeordnete leitfähige Ringstruktur (14) aufweist, die voneinander durch das isolierende Strukturelement isoliert sind.
Die beschriebenen Ringstrukturen bilden im Bereich des Strukturelementes und auch im Bereich der gesamten
Isolatoranordung Äquipotentialflächen, die insgesamt die elektrische Festigkeit der Isolatoranordung erhöhen.
Unter Äquipotentialflächen werden dabei leitende Schichten an den oder zwischen den Strukturelementen verstanden, die eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das keramische Material der Strukturelemente aufweist und die dabei senkrecht bezüg- lieh der Symmetrieachse angeordnet sind und die für axiale elektrische Felder Äquipotentialflächen definieren. Dadurch wird die Isolatoranordnung elektrisch in kurze axiale Stücke unterteilt, wodurch sich die dielektrische Festigkeit der Teilstrecke wie auch des gesamten Isolators erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist an einer Außenseite des Strukturelementes eine weitere, äußere Ringstruktur angebracht, die mit der Ringstruktur im Inneren des Strukturelementes bezüglich eines Lotes auf die Längsach¬ se des Strukturelementes eine Überdeckung aufweist. Auf diese Art werden die so gebildeten Äquipotentialflächen jedoch nicht durch leitfähige Schichten zwischen aufeinanderfolgen- den Strukturelementen gebildet, sondern als ein Bereich stark verminderter axialer elektrischer Feldstärke im Innern des Isolators, wobei die Feldstärkeverringerung in axialer Richtung durch die abschirmende Wirkung der innen und außen aufgebrachten leitfähigen Beschichtungen vermittelt wird. Da- bei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass die Ring¬ strukturen im Inneren und im Äußeren im Wesentlichen auf derselben Höhe bezüglich der Achse des Strukturelementes ange¬ bracht sind d.h., dass mindestens ein Lot, das auf die Längs¬ achse des Strukturelementes gefällt wird, durch beide Ring- strukturen verläuft. Dadurch sind die beiden Ringstrukturen kapazitiv mit einander verkoppelt, so dass sich radial in dem Strukturelement ein Bereich mit geringer axialer Feldstärke ergibt. Dabei kann es zweckmäßig sein, zur Erweiterung und zur besseren geometrischen Gestaltung der
Äquipotentialflächen, dass die innere und die äußere Ring¬ struktur bezüglich des Lotes leicht versetzt angeordnet sind.
In einer weiteren Ausgestaltungsform ist es zweckmäßig, dass mindestens zwei Strukturelemente vorgesehen sind, die entlang ihrer Stirnflächen aneinander gefügt sind, wobei jedes der mindestens zwei Strukturelemente mindestens eine Ringstruktur aufweist. Zwei Ringstrukturen haben den Vorteil, dass grund¬ sätzlich die Höhe der Isolatoranordnung wächst und somit zu einem großen Teil auch eine höhere elektrische Durchschlags- festigkeit erreicht wird, wenn jedes dieser Strukturelemente eine weitere Ringstruktur umfasst, wird somit eine weitere Erhöhung der Durchschlagsfeldstärke für die gesamte
Isolatoranordnung realisiert. Es hat sich ferner herausgestellt, dass das Strukturelement (4, 4λ) eine axiale Ausdehnung aufweist, die zwischen 10 mm und 200 mm, bevorzugt zwischen 20 mm und 80 mm beträgt, be¬ sonders bevorzugt zwischen 20 mm und 40 mm beträgt. Bei einer axialen Ausdehnung in diesem Größenbereich liegt ein Optimum bezüglich der elektrischen Durchschlagsfestigkeit einerseits und den technischen Herstellungsmöglichkeiten des Strukturelementes andererseits vor. Strukturelemente sind technisch mit einem verhältnismäßig überschaubaren Aufwand herzustel¬ len, wobei ferner eine hohe Durchschlagsfestigkeit realisiert wird, insbesondere unter Anwendung der beschriebenen Ringstrukturen . Hierbei ist es ferner zweckmäßig, wenn der Abstand der Ring¬ strukturen, sowohl der äußeren als auch der inneren Ringstruktur in einer axialen Richtung zwischen 5 mm und 40 mm beträgt. In diesem Abstandsbereich ist je nach ausgestatteter elektrischer Leitfähigkeit der Ringstrukturen die Wirkung der Äquipotentialflächen optimiert, sodass ein technisch gut nutzbares Verhältnis zwischen Isolation und Ladungsabfuhr auftritt .
Ferner ist es zweckmäßig, wenn an dem Strukturelement an sei- ner Innenseite und/oder an seiner Außenseite eine weitere Be- schichtung vorgesehen ist, die einen Flächenwiderstand auf¬ weist, der zwischen 108 Ohm 1012 Ohm, bevorzugt zwischen 108 Ohm 1010 Ohm liegt. Die Ringstruktur an sich kann in verschiedenen Formen ausgestaltet sein. In einer Ausgestaltungsform besteht die Ringstruktur aus einer metallischen Struktur bzw. aus einer leitfähigen selbsttragenden Struktur, insbesondere in Form eines Ringes oder in Form eines Bandes bzw. in Form einer Folie, die auf die entsprechende Oberfläche des Strukturelementes aufgebracht wird. Andererseits kann es zweckmäßig sein, die Ringstruktur in Form einer Beschichtung aufzutragen, wobei hierbei alle gängigen Beschichtungsmethoden zweckmäßig sind. Insbesondere wird die sogenannte Plasma-Chemical-Vapour- Deposition, PCVD oder CVD, aber auch das Sputtern, das Aufdampfen oder das Aufspritzen sowie das Aufrakeln und Einbrennen in Form von Siebdruck kann hier zweckmäßig sein. Durch die Aufbringung einer beschriebenen Schicht kann die Leitfä- higkeit bzw. der Flächenwiderstand an der Ringstruktur besonders gut eingestellt werden.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung besteht in einer Vakuumschaltröhre für Hoch- und Mittelspannungsanwendungen, die eine Isolieranordnung nach eigener Ansprüche 1-7 umfasst.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden an Hand der folgenden Figuren näher erläutert. Merkmale mit derselben Bezeichnung in jedoch unterschiedlichen Ausgestaltungsformen werden dabei mit demselben Bezugszeichen versehen. Es handelt sich dabei um rein exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine Querschnittdarstellung einer Vakuumschaltröhre mit einer Isolatoranordnung, wobei der linke Teil der Vakuumschaltröhre den Stand der Technik dar¬ stellt,
Figur 2 eine dreidimensionale Darstellung eines Strukturelementes mit jeweils einer Ringstruktur innen und außen,
Figur 3 eine Querschnittsdarstellung des Strukturelementes aus Figur 2, ebenfalls Querschnittsdarstellung des Strukturele¬ mentes aus Figur 2 mit versetzter Anordnung der Ringstrukturen,
ebenfalls Querschnittsdarstellungen des Strukturelementes aus Figur 2 mit zusätzlicher zweiter Ringstruktur außen,
Figur 6 ein Strukturelement mit Ringstrukturen und einer
Oberflächenbeschichtung einer äußeren Oberfläche, Figur 7 ein Strukturelement analog der Darstellung in Figur 2 in Querschnittdarstellung mit Schirmblechen im inneren Bereich
Figur 8 ein Querschnitt durch eine Isolatoranordnung mit zwei aneinandergefügten Strukturelementen und
Figur 9 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs der
Durchbruchsfeldstärke und der Höhe bzw. Dicke des Isolatormaterials des Strukturelementes.
In Figur 1 ist eine Querschnittdarstellung einer typischen Vakuumschaltröhre 3 widergegeben, wobei die Figur 1 von links nach rechts betrachtet auf der linken Seite dem Stand der
Technik entspricht und auf der rechten Seite ein Beispiel für eine Ausgestaltung der Erfindung wiedergegeben ist. Grundsätzlich umfasst die Vakuumschaltröhre 3 einen Isolierraum 25, in dem entlang einer Längsachse 20 durch die im Wesentli- chen rotationssymmetrisch ausgestaltete Vakuumschaltröhre 3 zwei Schaltkontakte 26 angeordnet sind. Mindestens einer der Schaltkontakte 26 ist dabei bezüglich der Achse 20
translatorisch bewegbar in der Vakuumschaltröhre 3 angeordnet, sodass der Schaltkontakt geöffnet und geschlossen werden kann. Im Bereich links und rechts der Schaltkontakte (in Ein¬ baulage befinden sich diese Bereiche oben oder unten bezüg¬ lich der Köpfe der Schaltkontakte) sind Isolatoranordnungen 2 vorgesehen. Diese Isolatoranordnung 2 besteht insbesondere im Stand der Technik aus der Verbindung von mehreren Struktur- elementen 4-, die stirnseitig aneinander gefügt sind, wobei ein entsprechendes, Vakuumdichtigkeit gewährleistendes Füge¬ verfahren Anwendung findet.
Vom Stand der Technik unterscheidet sich die hier beschriebe- ne Vakuumschaltröhre dadurch, dass an den Strukturelementen 4 Ringstrukturen 8 bzw. 16 vorgesehen sind, die im inneren Bereich angeordnet sind. Ferner ist es zweckmäßig ebenfalls im äußeren Bereich des Strukturelementes 4 Ringstrukturen 16 an- zubringen. Die Ringstrukturen 8 und 16 sind so angeordnet, dass sie entlang der Achse 20 gesehen sowohl innen als auch außen im Wesentlichen bezüglich einer Längsachse 20 auf derselben Höhe liegen, sodass zumindest eine teilweise Überde- ckung vorliegt. Ferner können an den Strukturelementen 4 bzw. an der Isolatoranordnung 2 Schirmbleche 24 angeordnet sein, die einen Überschlag zwischen dem Kontakt 26 und den relativ leitfähigen Oberflächen im Bereich der Ringstruktur 8 unterbindet .
Hierbei ist anzumerken, dass sowohl die Ringstrukturen 8 und/ oder 16 sowie die Verbindungsbereiche 27, die in der Regel als leitfähige Lotstellen ausgestattet sind, als die bereits beschriebenen Äquipotentialflächen dienen, die als Zone stark verringerter Feldstärke in axialer Richtung wirkt und somit einen Durchschlag der Isolatoranordnung 2 verhindert.
Es wird durch die Einbringung der Ringstruktur die interne Durchschlagsfestigkeit eines hier hohlzylindrischen Hochspan- nungsisolators erhöht. In dem Fall der beschriebenen Vakuumschaltröhre wird auch gleichzeitig ein Teil der ultra-hoch- vakuumdichten Hülle der Vakuumschaltröhre dadurch gesteigert, dass entlang der inneren (vakuumseitigen) und äußeren
Keramikoberflächen in kürzeren Abständen leitfähige Struktu- ren also die hier beschriebenen Ringstrukturen 8, 16 auf die Keramik des Strukturelementes aufgebracht werden. Diese Ring¬ strukturen 8, 16 weisen bevorzugt eine metallische oder annä¬ hernd metallische Leitfähigkeit auf, die mindestens drei Zeh¬ nerpotenzen höher ist als die Leitfähigkeit der angrenzenden Oberfläche 10 des Strukturelementes 4. Auf diese Weise werden durch die Ringstrukturen 8, 16 bezüglich der elektrischen Felder Äquipotentialflächen 9 definiert, welche das Strukturelement 4, insbesondere einen keramischen Körper, in radialer Richtung durchdringen. Dadurch wird die Keramik im Inneren elektrisch in kurzen axialen Teilbereichen von hohen axialen Feldstärken entlastet und somit in axialer Richtung unterteilt. Auf diese Art und Weise wird die dielektrische Festig¬ keit nicht nur entlang einer Teilstrecke zwischen zwei Äquipotentialflächen sondern auch entlang des gesamten Strukturelementes 4 stark erhöht. Mit der beschriebenen Anordnung der Ringstrukturen auf dem Strukturelement ergibt sich ein ausgedehnter Bereich verringerter elektrischer Feldstärke, in dem die Durchschlagswahrscheinlichkeit statistisch gesehen minimiert ist.
Grundsätzlich wird in dieser Beschreibung im Wesentlichen von keramischen Strukturelementen 4 ausgegangen, die vorzugsweise in Form einer hohlzylindrischen Isolatorstruktur dargestellt sind, gleichwohl ist eine Ausgestaltung des Strukturelementes 4 durch Isolatoren auf Basis von Polymeren bzw. Verbundwerkstoffen z.B. glaserverstärktes bzw. mit Quarz oder anderen keramischen Pulvern gefülltes Epoxidharz ebenfalls zweckmä- ßig. Auch von der symmetrischen Kreisform abweichende Querschnitte wie beispielsweise Ellipsen oder Polygone sind mög¬ liche Lösungen.
Eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung besteht unter anderem darin, dass die Unterteilung eines herkömmlich langen keramischen Strukturelementes 4 durch das Aufbringen leitfähiger Äquipotentialflächen 9 in Form der beschriebenen Ringstrukturen 8, 16 im Innen- und bevorzugt Außenbereich des Strukturelementes 4 entweder bereits bei der Herstellung auf dem Keramikkörper zu integrieren oder nachträglich auf dieser
Struktur aufzubringen ist. Wie hier zur Figur 9 näher erläutert werden wird, weist durch diese Maßnahme ein einzelnes Strukturelement mit einer vorgegebenen Höhe eine höhere elektrische Festigkeit auf als das gleiche Strukturelement ohne die beschriebenen leitfähigen Ringstrukturen 8, 16.
Hierdurch werden die Herstellungskosten der gesamten
Isolatoranordung, gegebenenfalls je nach erforderlicher Isolierstärke, deutlich verringert, da weniger Trennstellen bzw. Verbindungen 27 benötigt werden. Es kann je nach Anforderung genügen, anstatt drei Strukturelemente zu einer
Isolatoranordnung 2 zusammenzufügen, lediglich zwei Strukturelemente anzuwenden. Dadurch wird eine Verbindung 27 einge- spart, die einen besonders hohen Anteil an den Gesamtkosten bei der Herstellung der Isolatoranordnung 2 ausmacht. Außerdem wird somit eine Fehlerquelle bei einer möglichen Leckage der Vakuumschaltröhre 3 eliminiert.
Die Ringstruktur, die in einem Bereich im Inneren der Keramik äquivalent zu einer Äquipotentialfläche 9 wirkt, wird somit nicht als physisch einzubringende Schicht, wie es beispiels¬ weise die Verbindung 27 ist, ausgestaltet, sondern als funk- tional gleichwertige, aber wesentlich einfacher aufzubringende Zone mit einer deutlich erhöhten elektrischen Leitfähigkeit bezüglich der angrenzenden Oberfläche 10 des Strukturelementes 4. Es können dabei entlang eines Strukturelementes in axialer Richtung (entlang der Längsachse) mehrere Bereiche mit den Ringstrukturen ausgebildet sein, um so die mit hohen elektrischen Feldstärken belasteten Isolatorteillängen weiter zu verkürzen ohne die elektrische Festigkeit an der Oberflä¬ che des Isolatorkörpers in axialer Richtung zu beeinträchti¬ gen .
Die Herstellung der beschriebenen Ringstrukturen kann durch unterschiedliche Verfahren und Formen erfolgen. Beispielswei¬ se ist das Aufbringen der Ringstrukturen 8, 16 durch eine metallisch leitfähige Schicht z.B. in Form eingebrannter metal- lisch oder metalloxidischer Schichten zweckmäßig. Geeignete
Metalloxide bzw. Mischungen sind unter anderem solche, welche auch zur Metallisierung von Keramiken z.B. nach dem sogenannten Mo/MnO-Verfahren angewandt werden, oder die zur reaktiven Lötverbindung von metallischen und keramischen Bauteilen ver- wendet werden.
Besonders geeignet ist insbesondere bezüglich der äußeren Ringstrukturen 18 das Aufbringen von unterbrochenen Ringstrukturen, sowohl Ringstrukturen 16 als auch Ringstrukturen 8, die beispielsweise in Form von unterbrochenen Bändern, versetzten Bändern bzw. Ringen oder aneinander angrenzende, aber nicht berührende Punkte aufweisen. Möglich sind ebenfalls Schichten, die durch Aufsputtern, Aufdampfen, Aufspritzen oder CVD- bzw. PCVD-Verfahren als metallische, metalloxidische Schichten oder auch als Metallboride, -karbide oder Metallnitride ausgestaltet sein können. Eben- falls möglich ist das Aufbringen von organisch gebundenen, leitfähigen Lacken, welche durch thermische Behandlung von der organischen Phase befreit werden. Auch graphitische bzw. graphithaltige Schichten z.B. nach dem Aquadag-Verfahren sind geeignet, die entsprechenden Ringstrukturen darzustellen. Dies gilt ebenfalls für Graphitstrukturen, die durch entspre¬ chenden Abrieb einer Kohlequelle/Graphitquelle erzeugt wer¬ den. Bei dem beschriebenen Verfahren handelt es sich um einen beispielhaften Auszug von möglichen Darstellungsformen der beschriebenen Ringstrukturen 8 und 16.
Dabei können die entsprechenden Ringstrukturen 8, 16 an den Strukturelementen 4, in dessen Anordnung in der
Isolatoranordnung 2 mit den sogenannten Schirmsystemen bzw. Schirmblechen 24 versehen werden, wie dies beispielsweise in der Figur 7 aber auch in der Figur 1 dargestellt ist. Hieraus resultiert eine zusätzliche Funktion, die beispielsweise da¬ rin bestehen kann, dass diese Schirmbleche 27 eine Abschirmung der Keramikoberfläche vor Bedampfen mit Metalldampf, der aus dem Schaltlichtbogen entsteht, darstellt.
Die Ringstrukturen 8, 16 müssen nicht notwendigerweise durch¬ gehend ausgestaltet, d.h. ununterbrochen ausgeführt werden, sondern können auch als flächige Gebilde bestehend aus ras- terförmig aufgebrachten, eng benachbarten leitfähigen Struk- turen, z.B. Punkten oder Strichen ausgeführt werden. Solche Schichten sind besonders vorteilhaft über Siebdruckverfahren wie Rakeln herzustellen.
In Figur 2 ist eine dreidimensionale Darstellung eines Struk- turelementes 4 gegeben, die im Wesentlichen rotationssymmet¬ risch, in diesem Fall in Zylinderform dargestellt ist, und die auf einer inneren Oberfläche 6 eine Ringstruktur 8 auf¬ weist, die in Figur 2 gestrichelt dargestellt ist und an ei- ner äußeren Seite eine äußere Ringstruktur 16 angeordnet ist. Wie in Figur 3, die eine Querschnittdarstellung der Figur 2 darstellt, zu erkennen ist, verlaufen die Ringstruktur 16 bzw. 8 bezüglich einer axialen Ausdehnung des Strukturelemen- tes 4 auf derselben Höhe. Das bedeutet ein Lot 18, das auf die Achse 20 gefällt wird, durchläuft sowohl die innere Ring¬ struktur 8 als auch die äußere Ringstruktur 16 und dies zu¬ mindest in einem Überdeckungsbereich.
In den Figuren 4 und 5 sind Ringstrukturen 8 und 16 dargestellt, bei denen es nicht zu einer 100%-prozentigen Überde¬ ckung in axialer Richtung kommt, wobei diese Ringstrukturen 8 und 16 axial zueinander leicht verschoben sind, es jedoch weiterhin zu einem Überdeckungsbereich kommt. In der Figur 5 sind an der Außenseite des Strukturelementes 4 zwei Ring¬ strukturen 16 aufgebracht, wobei beide Ringstrukturen 16 vorzugsweise wiederum einen Überlappungsbereich in axialer Richtung mit der Ringstruktur 8 im inneren Bereich 6 des Strukturelementes 4 aufweisen. Das heißt, ein Lot 18, auf die Ach¬ se 20 kann so gelegt werden, dass es durch beide Ringstruktu¬ ren 8, 16 verläuft.
In Figur 6 ist ein Strukturelement 4 dargestellt, das eine analoge Ausgestaltungsform zu dem Strukturelement 4 in Figur 3 aufweist, das jedoch an seiner äußeren Oberfläche eine zu¬ sätzliche Oberflächenbeschichtung 22 aufweist, die bevorzugt einen Flächenwiderstand von typischerweise 100 Megaohm pro Quadrat aufweist, was einen schlechten Leiter oder anders ausgedrückt keinen Isolator darstellt. Auf diese Weise wirkt auf dieser Oberfläche 22 eine sowohl ohmsche als auch nicht lineare Stromspannungskennlinie. Dies dient zur elektrischen Feldsteuerung auf der Oberfläche und zur Verringerung der Aufladung der Oberfläche mit elektrischen Ladungen. Hierdurch können besonders spannungsfeste Strukturelemente 4 erzeugt werden. Alternativ kann die leitfähige Beschichtung mit hohem Flächenwiderstand zwischen 108 Ohm und 1012 Ohmauch auf der Innenseite bzw. auf beiden Seiten der Keramik aufgebracht sein. Die Widerstandsschicht kann sowohl unterhalb der Ring- strukturen 8, 16 aufgebracht sein als auch in einer anderen Ausführungsform sich überdeckend über die Ringstrukturen 8, 16 erstrecken. In den Figuren 2 bis 7 werden Isolatoranordnungen 2 dargestellt, die aus jeweils nur einem Strukturelement 4 bestehen. Diese Isolatoranordnungen 2 sind in diesem beispielhaften Ausgestaltungsformen der Übersichtlichkeit halber lediglich hier im Mittelbereich mit Ringstrukturen 8, 16 ausgestaltet. Die Ringstrukturen 8, 16 weisen allerdings in axialer Richtung einen typischen Abstand auf, der zwischen 10mm und 40mm beträgt. Ein typisches Strukturelement 4, wie es in den Figu¬ ren 2-7 dargestellt ist, kann also mehrere Ringstrukturen 8 und 16 an der Innen- und der Außenseite aufweisen, die zu den bereits beschriebenen vorteilhaften, innerelektrischen Effekten führen. Insofern haben die Figuren 2-7 einen rein beispielhaften Charakter und dienen insbesondere zur Darstellung der Anordnung der Ringstrukturen 8 und 16 im Allgemeinen. In der Figur 8 ist eine Isolatoranordnung 2 wiedergegeben, die aus zwei Strukturelementen 4 zusammengesetzt ist. Die Struk¬ turelemente 4 in Figur 8 sind durch die Verbindung 27 stirnseitig aneinandergefügt. Dabei besteht die Verbindung 27 ebenfalls aus einer metallisch leitfähigen Schicht und stellt ebenfalls eine Äquipotentialfläche 9 dar.
Durch das Aufbringen der Ringstrukturen 8 und 16 werden in die Isolatorstruktur 2 zusätzliche Äquipotentialflächen 9 eingebracht, die die bereits beschriebenen positiven elektrischen Eigenschaften aufweisen. Betrachtet man Figur 9, so ist zu erkennen, dass bei einem Zusammenhang zwischen der Durchbruchsfeldstärke 28, die auf der Y-Achse aufgetragen ist und der Höhe bzw. der Dicke des keramischen Isolierkörpers, der auf der X-Achse aufgetragen ist und mit dem Bezugszeichen 29 versehen ist, ein wurzeiförmiger Verlauf besteht, der durch die Kurve 30 dargestellt ist. Das heißt, bei einer Höhe von beispielsweise 5 Längeneinheiten eines Strukturelementes 4 wird eine Durchschlagsfestigkeit, hier in diesem Beispiel von 60 kV, erzielt. Bei 10 Längeneinheiten desselben Materials und derselben Dicke werden dabei lediglich ca. 90 kV Durchschlagsfestigkeit erzeugt. Das heißt, dass man entweder das Strukturelement 4 sehr lang ausgestalten muss, um eine hohe Durchschlagsfestigkeit zu erzielen, oder das mehrere Struk- turelemente 4 aneinandergefügt werden müssen, die jeweils die entsprechenden Äquipotentialflächen 9 aufweisen. Die
Äquipotentialflächen 9 werden dabei bei der herkömmlichen Bauweise von Vakuumschaltröhren 3 bzw. Isolatoranordnungen 2 für Vakuumschaltröhren durch die Lotverbindungen dargestellt. Durch die zusätzlichen hier beschriebenen Ringstrukturen 8 und 16 wird zum einen eine Verkürzung der Abstände der
Äquipotentialflächen 9 bewirkt, so dass beispielsweise bei einem Abstand von 5 Längeneinheiten zwischen den Ringstrukturen die Durchschlagsfestigkeit von 60 kV erreicht werden kann. Zum anderen wird in dem Keramikbereich zwischen den Ringstrukturen 8, 16 eine virtuelle Äquipotentialfläche 9λ eingeführt, welche ohne Lotverbindung eine virtuelle Verkür¬ zung der Keramik bewirkt. Bei 2x5 Längeneinheiten entlang desselben Strukturelementes kann dabei bereits eine Durch- Schlagsfestigkeit von 120 kV erreicht werden, wobei ein her¬ kömmliches Strukturelement nach dem Stand der Technik nach demselben Beispiel nur 90 kV Durchschlagsfestigkeit erzielen würde. Das bewirkt, dass die gesamte Länge der
Isolatoranordnung 2 deutlich reduziert werden kann, was zum einen eine deutliche Reduktion des Herstellungsprozessaufwandes darstellt, was sich wiederum in einer deutlichen Kostenreduktion bei geringerem Bauraum der Vakuumschaltröhre 3 niederschlägt .

Claims

Patentansprüche
1. Isolatoranordnung (2) für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage mit mindestens einem achsensymmetri- sehen isolierenden Strukturelement (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (4) eine, an seiner inneren Oberfläche (6) angeordnete leitfähige Ringstruk¬ tur (8) und eine an seiner äußeren Oberfläche angeordne¬ te leitfähige Ringstruktur (14) aufweist, die voneinan- der durch das isolierende Strukturelement isoliert sind.
2. Isolatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstruktur (8) eine elektrische Leitfä¬ higkeit aufweist, die um mindestens acht Zehnerpotenzen höher ist als die Leitfähigkeit der angrenzenden Oberfläche des Strukturelementes.
3. Isolatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstruktur (8) eine axiale Ausdehnung (10) aufweist, die mindestens der halben Di¬ cke und maximal der vierfachen Dicke des Strukturelementes (4) in radialer Richtung beträgt.
4. Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, dass die äußere und die innere
Ringstruktur (16) in der Art zueinander angebracht sind, dass sie bezüglich eines Lotes (18) auf die Längsachse (20) des Strukturelementes (4) eine Überdeckung aufwei¬ sen .
5. Isolatoranordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strukturelemente (4, 4λ) vorgesehen sind, die entlang ihrer Stirnflächen aneinander gefügt sind, wobei jedes der mindestens zwei Strukturelemente (4, 4λ) mindestens eine Ringstruktur
(8, 16) aufweist. Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (4, 4λ) eine axiale Ausdehnung aufweist, die zwischen 10 mm und 200 mm, bevorzugt zwischen 20 mm und 80 mm beträgt, be¬ sonders bevorzugt zwischen 20 mm und 40 mm beträgt.
Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Ring¬ strukturen (8, 16) in axialer Richtung zwischen 5 mm und 40 mm liegt.
Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Beschich- tung des Strukturelementes an seiner Innenseite und/oder an seiner Außenseite vorgesehen ist, die einen Flächenwiderstand aufweist, der zwischen 108 Ohm 1012 Ohm, be- vorzugt zwischen 10 Ohm 10 Ohm liegt.
Isolatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstruktur (8, 16) in Form einer metallischen Struktur, insbesondere in Form eines Rings oder in Form eins Bandes ausgestaltet ist .
Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstruktur (8, 16) in Form einer leitfähigen Beschichtung aufgebracht ist.
11. Vakuumschaltröhre für Hoch- oder Mittelspannungsanwendungen umfassend eine Isolatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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